CN109126640B - 浆态床反应系统和费托合成反应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及费托合成领域，公开了浆态床反应系统和费托合成反应的方法，该反应系统包括：浆态床反应器、内部换热单元和外部换热单元，所述内部换热单元设置在所述浆态床反应器的内部，所述外部换热单元设置在所述浆态床反应器的外部，所述外部换热单元包括依次串联的汽包、缓冲罐和加热器，且所述加热器与所述内部换热单元的下部进水口连通，所述汽包与所述内部换热单元的上部出水口连通；所述内部换热单元包括具有挡板的换热管。本发明能够提高浆态床反应器内换热单元的换热效率，确保浆态床反应器内部均匀稳定的温度，还能够在发生催化剂局部飞温时，及时有效地移出飞温带来的多余热量，进而确保目的产物的收率。

Description

浆态床反应系统和费托合成反应的方法
技术领域
本发明涉及费托合成领域，具体地，涉及一种费托合成浆态床反应系统和应用该费托合成浆态床反应系统进行费托合成反应的方法。
背景技术
随着近年来石油价格不断攀升，人们越来越重视开发生产替代油品的技术，通过煤、天然气或其它物质生产合成气，再根据费托合成催化剂对合成气的要求，通过水煤气变换和合成气净化工艺对合成气进行处理，以处理后合成气为原料通过费托合成生产烃类，同时副产含氧化合物，然后采用成熟的石油加工技术进行加工，生产出高质量的环境友好的油品。开发费托合成技术，对发展替代油品的生产技术具有非常重要的意义。
费托合成反应是一个强放热反应。费托合成产物的分布和催化剂的活性对温度非常敏感，维持反应器内相对恒定的温度对浆态床反应器内反应的顺利进行和安全操作十分重要。因此进行费托合成反应时，需要将浆态床反应器内的热量均匀快速的移出反应器外。
另外，费托合成反应常发生催化剂局部过热飞温，并引起催化剂积碳甚至在反应器内沉积，导致催化剂快速失活，目标产物产率降低等等。因此，在费托合成反应过程中，换热器的设计，不仅要考虑将反应器内热量均匀快速的移出反应器外，还需要考虑当催化剂局部过热飞温时，能够有足够的措施和方法，能够及时有效的移走由于飞温带来的更多热量，从而保证反应器操作的安全性和提高目的产物的收率。
现有技术中，换热器的设计主要集中在改善换热器本身结构设计，提高换热效率。
CN101480595A公开了一种针翅片型换热器，在换热列管的外壁上安装有水平的针型翅片，每根换热列管上安装的针翅数目为80～800根，针型翅片直径为1～10mm，长度在10～125mm范围。针型翅片换热器列管既增加换热面积，又改善浆态床中的气液固三相的流速分布，实现强化传热和改善流动的双重功能。
CN102212381A公开了一种用于费托合成反应的设备系统，该系统包括三相悬浮床费托合成反应器及其配套系统，三相悬浮床费托合成反应器设置有激冷分布器，用于注入循环回反应器的冷凝产物，对反应器的过滤区进行强化移热；另外该系统还设置了余热锅炉，使反应器出口排出的高温轻质反应产物热气流股首先经过余热锅炉换热，回收部分热量，并可除去气体流股中夹带的少量固体催化剂，确保下游冷凝产物不含催化剂。
CN101396647A公开了一种适用于浆态床反应器的新型换热器，其换热器部分可以采用一段式主换热器，也可以采用两段主换热器。由于分离区构件之间存在着较大的空间，根据生产需要，可以考虑在上主换热器外设置小型换热器元件组，起到调节液固分离区所占空间的温度的作用。此换热器中加入了导流管，实现上下两段换热器的热耦合，减少两段间的热负荷差值，增加了操作弹性，因此换热温度可保障浆态床反应器内反应的充分进行。
US4187902公开了一种利用高压冷却介质进行换热的换热器，此换热器主要特点是换热列管较长而且呈折形弯曲状，在换热过程中起到热补偿的作用，进行换热时换热列管可以随气液运动而发生震动，对带有沉淀物的液相，利用弯曲列管的震动作用可以减小沉淀物在列管上的沉积，防止在列管上结垢，提高换热效果。换热列管的尺寸不受反应器大小的限制，可以按照生产需要反应器内安装任意数量的换热列管，然后根据换热器的尺寸来反应器主体尺寸。
CN101480595A公开了一种针翅片型换热器，主要特点是换热列管的外壁上安装有大量的水平的针型翅片。针型翅片换热器列管，一方面可以增加换热面积，增强反应器换热能力；另一方面换热列管外壁的针型翅片可以对塔内气液相流体的流动具有阻碍作用，可遏制普通换热列管造成的流动陡峭效应(“烟囱效应”)，改善浆态床中的流速分布。
但是这种针翅片型换热器存在制造复杂的特点，且随着反应器尺寸的增大，势必要增加列管上的针翅片长度和数目，在保证换热效果前提下既增加了生产制造难度，同时，换热列管的横截面积占反应器的横截面积比例增大，影响反应器内部流体分布，会带来目的产物产率的下降。
另外，费托反应是强放热反应，一旦费托合成反应器发生飞温现象，该种换热器没有及时快速移走多余热量的措施，严重时会引起试验失败。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合于费托合成浆态床反应的换热系统和方法，该方法不仅能够提高浆态床反应器内换热单元的换热效率，确保浆态床反应器内部均匀稳定的温度，还能够在发生催化剂局部飞温时，及时有效地移出飞温带来的多余热量，进而确保目的产物的收率，以及提高装置操作的安全性。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种费托合成浆态床反应系统，包括：
浆态床反应器、内部换热单元和外部换热单元，所述内部换热单元设置在所述浆态床反应器的内部，所述外部换热单元设置在所述浆态床反应器的外部，所述外部换热单元包括依次串联的具有压力控制阀的汽包、具有冷却水入口的缓冲罐和加热器，且所述加热器与所述内部换热单元的下部进水口连通，所述汽包与所述内部换热单元的上部出水口连通；所述缓冲罐的冷却水入口与外部补充水源相连通，使得来自所述外部补充水源的冷却水能够通过该冷却水入口进入到缓冲罐中，并最终进入所述内部换热单元中；所述内部换热单元包括换热管，且在部分或全部的所述换热管内设置用于延长换热介质在内部换热单元内的停留时间的挡板。
第二方面，本发明提供采用第一方面所述的费托合成浆态床反应系统进行费托合成反应的方法，包括：
来自汽包的水依次流经缓冲罐、加热器进入内部换热单元中与浆态床反应器内的物料进行换热，换热后的水循环回汽包内进行气液分离，分出的水返回所述缓冲罐中，任选分出的蒸汽经由压力控制阀排出；
其中，在所述费托合成反应的初始阶段，所述加热器对来自缓冲罐内的水进行加热，并利用加热后的热水对所述浆态床反应器内的物料进行加热，直至所述浆态床反应器内的物料达到反应温度；
在所述浆态床反应器内的物料达到反应温度之后，所述加热器停止加热，使来自缓冲罐内的水直接流过所述加热器进入所述内部换热单元中，用于移出所述浆态床反应器内的物料反应热，
其中，至少一部分冷却水通过管线进入所述汽包中，并依次经由所述缓冲罐和所述加热器进入所述浆态床反应器的内部换热单元中，以及
任选至少另一部分冷却水通过所述缓冲罐的冷却水入口进入到所述缓冲罐中，并且经由所述加热器进入所述浆态床反应器的内部换热单元中。
本发明的浆态床反应系统，通过外部换热单元和内部换热单元的配合，不仅能够提高浆态床反应器内换热单元的换热效率，确保浆态床反应器内部均匀稳定的温度，还能够在发生催化剂局部飞温时，及时有效地移出飞温带来的多余热量，进而确保目的产物的收率，以及提高装置操作的安全性。由此使得本发明非常适合于工业应用。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明的一种优选的实施方式的浆态床反应系统；
图2是根据本发明的一种优选的实施方式的换热管的结构示意图；
图3是根据本发明的一种优选的实施方式的换热管的结构示意图。
附图标记说明
1：浆态床反应器 2：下部换热单元
3：中部换热单元 4：上部换热单元
5：汽包 6：缓冲罐
7：加热器 8：泵
9：压力控制阀 10：泵
11：阀门 12：管线
13：管线 14：管线
15：管线 16：阀门
17：阀门
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
如图1所示，本发明提供了一种浆态床反应系统，该系统包括：浆态床反应器1、内部换热单元和外部换热单元，所述内部换热单元设置在所述浆态床反应器1的内部，所述外部换热单元设置在所述浆态床反应器1的外部，所述外部换热单元包括依次串联的具有压力控制阀9的汽包5、具有冷却水入口的缓冲罐6和加热器7，且所述加热器7与所述内部换热单元的下部进水口连通，所述汽包5与所述内部换热单元的上部出水口连通；所述缓冲罐6的冷却水入口与外部补充水源相连通，使得来自所述外部补充水源的冷却水能够通过该冷却水入口进入到缓冲罐6中，并最终进入所述内部换热单元中；所述内部换热单元包括换热管，且在部分或全部的所述换热管内设置用于延长换热介质在内部换热单元内的停留时间的挡板。
在具体运行的过程中，当浆态床反应器内的温度达到反应温度后，费托合成反应放热量趋于稳定，换热管内的水吸收热量后，部分变为水蒸气，然后进入汽包进行气液分离。
根据本发明，在具体运行的过程中，来自汽包5的水依次经缓冲罐6和泵8进入加热器7中，并随后进入浆态床反应器内的内部换热单元中，与浆态床反应器内的物料进行换热后，再循环回汽包5中，在汽包中进行气液分离后，水相返回至缓冲罐6中以再次进行循环，而分离得到的蒸汽可以视情况通过压力控制阀9排出至系统之外。
根据本发明的一种优选实施方式，所述内部换热单元的20-70％的换热管内设置挡板。
根据本发明的一种优选实施方式，所述内部换热单元包括设置在所述浆态床反应器1内部的下部换热单元2、中部换热单元3和上部换热单元4；
所述下部换热单元2、中部换热单元3和上部换热单元4各自独立地包括两根以上并联的换热管，且在所述下部换热单元2、中部换热单元3的部分或全部所述换热管内设置挡板，所述挡板用于延长换热介质在内部换热单元内的停留时间；
所述下部换热单元2、所述中部换热单元3和所述上部换热单元4彼此串联和/或并联。
采用前述设置，系统不仅能够确保浆态床反应器内部均匀稳定的温度，还能够在发生催化剂局部飞温时，及时有效地移出飞温带来的多余热量，进而确保目的产物的收率，以及提高装置操作的安全性。
根据本发明，优选所述下部换热单元2的10-70％，更优选20-50％的换热管内设置挡板。如此设置，能够实现确保浆态床反应器内部均匀稳定的温度以及有效地移出飞温带来的多余热量的最大化配合。
根据本发明的一种优选实施方式，所述下部换热单元2中的换热管的直径小于中部换热单元3和上部换热单元4中的换热管的直径，所述下部换热单元2中的换热管的根数大于中部换热单元3和上部换热单元4中的换热管的根数。由此可以更有效的防止浆态床反应器内部局部飞温的出现。
根据本发明的一种优选实施方式，所述下部换热单元2中的换热管的直径比所述中部换热单元3和上部换热单元4中的换热管的直径各自小2-50mm；
所述下部换热单元2中的换热管的直径为10-200mm，优选为10-40mm；所述中部换热单元3和上部换热单元4中的换热管的直径各自独立地为20-200mm，优选为40-100mm。采用这种方式可以有效换热且可以避免飞温现象。
根据本发明的一种优选实施方式，所述中部换热单元3和上部换热单元4中的换热管直径与下部换热单元2的换热管直径比各自为(2-10)：1，更优选为(2-5)：1，所述下部换热单元2中的换热管根数与所述中部换热单元3和上部换热单元4中的换热管根数之比各自独立地大于1且小于等于5，优选为大于1且小于等于3。
根据本发明的一种优选实施方式，所述中部换热单元3与所述上部换热单元4串联，且所述下部换热单元2与所述中部换热单元3和所述上部换热单元4并联，以及所述加热器7分别与所述下部换热单元2的进水口和所述中部换热单元3的进水口连通，所述下部换热单元2的出水口和所述上部换热单元4的出水口分别与所述汽包5连通。
根据本发明的一种优选的实施方式，各个所述挡板的横截面积不超过相应换热管内横截面积的80％，优选不超过70％。如此设置，能够实现确保浆态床反应器内部均匀稳定的温度以及有效地移出飞温带来的多余热量的最大化配合。
根据本发明，所述挡板用于降低换热管内水流的速度，吸收更多的热量，强制降低内部换热单元内的水温，从而防止浆态床反应器内部局部飞温的出现。
根据本发明，本发明对所述换热管的形式无特殊要求，例如可以为悬挂式列管式换热管。
优选地，所述换热管具有至少两个交错排布的挡板。
根据本发明的一种优选实施方式，如图2和图3所示，所述换热管包括多个交错排布的挡板。
根据本发明的一种优选实施方式，所述挡板为直板(图2所示)或倒钩结构(图3所示)，对此本发明无特殊要求。
根据本发明的方法，在所述中部换热单元3的部分或全部所述换热管内设置挡板，所述挡板用以降低换热管内水流的速度，延长换热介质在内部换热单元内的停留时间，如此可以在不增加换热面积的情况下提升换热效果，让更多的液态水通过吸热转变为水蒸气，从而可以充分利用潜热；其中，中部换热单元设置在浆态床反应器的过滤区，由此可以吸收过滤区更多的热量，对反应器内的过滤区进行强化移热，避免费托合成催化剂在过滤分离操作中过热导致飞温。
优选情况下，所述缓冲罐6通过阀门11和管线与补充水源连通，使得来自外部补充水源的补充水由管线和阀门11进入到所述缓冲罐6中。当通过控制加热器的加热温度以及控制汽包中补充水的加入量仍然不能消除飞温时，优选打开阀门11，使得外部的补充水(低温)通过管线引入至缓冲罐中参与循环，从而实现快速消除飞温现象的目的。
优选情况下，所述汽包5通过管线与外部的补充水源连通，使得来自外部补充水源的补充水由管线进入到所述汽包5中。
优选地，在所述汽包5与所述内部换热单元的上部出水口连通的管线上设置有并联连接的阀门16和阀门17，且在阀门16或阀门17的支路上设置有泵10。
根据本发明，在汽包5前设置一个备用的泵10，当换热管内因气相较多引起气阻过大，影响换热管内水汽混合物返回汽包5内时，将该泵10打开，强制将水汽混合物抽回到汽包5内，由此避免飞温现象。常规情况下，换热单元的水可以通过管线15和阀门17进入到汽包5中。
根据本发明，在具体运行的过程中，汽包内水的温度通过汽包上的压力控制阀控制，设定值为设定温度下水的饱和蒸汽压。换热单元内水吸收热量后，汽包内水蒸气的压力低于设定压力时，压力控制阀关闭。当汽包内水蒸气的压力高于设定压力时，压力控制阀打开，水蒸气排出到公用管网。汽包中损失的水汽由补充水补充。
根据本发明的一种优选实施方式，在缓冲罐6和加热器7连通的管线上设置有泵8。
采用本发明的系统进行费托合成反应不仅能够提高浆态床反应器内换热单元的换热效率，确保浆态床反应器内部均匀稳定的温度，还能够在发生催化剂局部飞温时，及时有效地移出飞温带来的多余热量，进而确保目的产物的收率，提高装置操作的安全性。
本发明提供了采用本发明所述的浆态床反应系统进行费托合成反应的方法，该方法包括：来自汽包5的水依次流经缓冲罐6、加热器7进入内部换热单元中与浆态床反应器1内的物料进行换热，换热后的水循环回汽包5内进行气液分离，分出的水返回所述缓冲罐6中，任选分出的蒸汽经由压力控制阀9排出；
其中，在所述费托合成反应的初始阶段，所述加热器7对来自缓冲罐6内的水进行加热，并利用加热后的热水对所述浆态床反应器1内的物料进行加热，直至所述浆态床反应器1内的物料达到反应温度；
在所述浆态床反应器1内的物料达到反应温度之后，所述加热器7停止加热，使来自缓冲罐6内的水直接流过所述加热器7进入所述内部换热单元中，用于移出所述浆态床反应器1内的物料反应热，
其中，至少一部分冷却水通过管线进入所述汽包5中，并依次经由所述缓冲罐6和所述加热器7进入所述浆态床反应器1的内部换热单元中，以及
任选至少另一部分冷却水通过所述缓冲罐6的冷却水入口进入到所述缓冲罐6中，并且经由所述加热器7进入所述浆态床反应器1的内部换热单元中。
根据本发明所述的方法，优选情况下，所述压力控制阀9设置的压力阈值在1.55-5.5MPa范围内；更优选地，所述压力控制阀9设置的压力阈值在2-5MPa范围内。
根据本发明所述的方法，汽包内水的温度通过汽包上的压力控制阀控制，设定值为设定温度下水的饱和蒸汽压。换热单元内水吸收热量后，汽包内水蒸气的压力低于设定压力时，压力控制阀关闭。当汽包内水蒸气的压力高于设定压力时，压力控制阀打开，水蒸气排出到公用管网。汽包中损失的水汽由补充水补充。
根据本发明所述的方法，本发明还可通过控制浆态床反应器1入口气体的温度，使其低于反应温度，对反应器底部进行激冷。优选进入所述浆态床反应器的气流温度比费托合成反应温度低20-180℃，优选低50-120℃，通过此手段可以实现浆态床反应器底部温度保持在反应温度。
根据本发明所述的方法，汽包内水的温度最终设定与浆态床反应器内最终反应温度有关。针对本发明，一般来说，优选汽包内水的温度低于反应温度10-80℃，更优选5-60℃。通过此手段可以实现浆态床反应器内温度保持平稳。
根据本发明所述的方法，加热器可以根据需要设定加热速率，通常，所述加热器可以设定为使得流经的水以1-30℃/h的速率升温。而优选地，在所述费托合成反应初期，低于120℃时，所述加热器设定为使得流经的水以10-25℃/h的速率升温；而当所述浆态床反应器内的温度升至120℃以上时，所述加热器设定为使得流经的水以5-20℃/h的速率升温；当所述浆态床反应器内的温度升至200℃以上直至最终设定的反应温度时，所述加热器设定为使得流经的水以1-10℃/h的速率升温。
以下为了简便说明，将使得本发明的浆态床反应系统和费托合成反应的方法嵌套说明，但是应当理解的是，本发明的浆态床反应系统和费托合成反应的方法既可以是相互配合的，也可以是相互独立的，本发明对此并无特别的限定。
在本发明的一种实施方式中，所述汽包5中设置有补水管线以补充水蒸气排出导致的水损失。其中，所述补水管线可以设置有补水阀门，以便调节水量和开关。
根据本发明，经过内部换热单元换热后的水(通常为水和水蒸气的混合物)进入到所述汽包中进行气液分离。为了实现该目的，通常所述汽包设置有压力控制阀，当所述汽包内的水蒸气压力超出设定压力(即压力阈值)时，打开该压力控制阀以排出过剩水蒸气。该设定的压力值即为设定温度下的饱和蒸汽压，当排出过剩水蒸气后，汽包内的水汽将降至设定温度(通常该设定温度比费托合成反应温度低10-80℃，优选低5-60℃)。
根据本发明，如图1所示的，本发明的换热流程大致包括：进入汽包内的水经过气液分离后，所得水与由汽包5的补水管线提供的补充水一起进入缓冲罐6，缓冲罐6中的水泵送至加热器7中(不加热)，由此送至位于浆态床反应器内部的内部换热单元进行换热，换热后的水再次循环进入汽包内，如此循环反复。该换热过程不仅可以移除反应器内的热量，还可以根据需要为浆态床反应器提供热量。
根据本发明，当合成气进入到浆态床反应器1中与费托合成催化剂进行接触反应，其中反应初期温度较低，需要通过内部换热单元为反应提供热量，以促使升温至反应温度，而随着温度的升高，费托合成反应的进行，费托合成反应将放出大量的反应热，此时内部换热单元主要用于移除热量；特别是在费托合成反应发生局部飞温现象时，该内部换热单元内能够快速涌入大量较低温度的冷却水以瞬时带走飞温的热量，消除飞温现象，保持浆态床反应器内温度的相对恒定，利于催化剂长期保持稳定性能。
因此，在所述费托合成反应初期，所述加热器提供的热水为所述浆态床反应器内的物料提供热量，随着浆态床反应器内温度上升，费托合成反应逐渐放出大量反应热，换热单元逐渐由加热器转变为将浆态床反应器内反应热移出；在所述费托合成反应达到反应温度后，所述加热器提供的水将为所述浆态床反应器内的物料移除热量，此时加热器将停止加热，移出热的主要方式是靠水的潜热，即同温度的水经过浆态床反应器内的换热管时，吸收热量，转变为同温度的水蒸气。其中，加热器可以根据需要设定加热速率，通常，所述加热器可以设定为使得流经的水以1-30℃/h的速率升温。而优选地，在所述费托合成反应初期，低于120℃时，所述加热器设定为使得流经的水以10-25℃/h的速率升温；而当所述浆态床反应器内的温度升至120℃以上时，所述加热器设定为使得流经的水以5-20℃/h的速率升温；当所述浆态床反应器内的温度升至200℃以上直至最终设定的反应温度时，所述加热器设定为使得流经的水以1-10℃/h的速率升温。
根据本发明，优选情况下，经所述加热器加热后的水的温度为150-270℃，优选为180-220℃，以此使得所述浆态床反应器内的物料达到反应温度。
当浆态床反应器1内部发生催化剂局部过热飞温时，若上述办法是仍然不能及时将过多的热量带出浆态床反应器外。这时将缓冲罐6的阀门11打开，将较低温度的水加入到缓冲罐6内，并且经由泵8和加热器7(不加热)进入到浆态床反应器的换热单元中强制降低换热系统内的水温，将浆态床反应器内过多热量带走。当飞温消除后，浆态床反应器内温度趋于稳定，这时可以将阀门11关掉。
根据本发明，尽管本发明对内部换热单元的构造并无特别的限定，但是为了能够更好地配合所述外部换热单元的换热，优选地，所述内部换热单元包括设置在所述浆态床反应器内部的下部换热单元(设置在所述浆态床反应器的下部)、中部换热单元(设置在所述浆态床反应器的中部)和上部换热单元(设置在所述浆态床反应器上部)，且所述下部换热单元、所述中部换热单元和所述上部换热单元彼此独立地串联和/或并联。
优选地，所述中部换热单元与所述上部换热单元串联，且所述下部换热单元与所述中部换热单元和所述上部换热单元并联，所述加热器分别与所述下部换热单元的进水口和所述中部换热单元的进水口连通，所述下部换热单元的出水口和所述上部换热单元的出水口分别与所述汽包连通。在该情况下，所述中部换热单元的出水口与上部换热单元的进水口连通。可以理解为，在该设置下，从加热器中出来的水分别从管线12和管线13进入到下部换热单元和中部换热单元中，流经下部换热单元换热后的水则通过管线14进入到汽包中，流经中部换热单元换热后的水再进入到上部换热单元4中换热，经上部换热单元换热后的水则通过管线15进入到汽包中。
如上所述，本发明的浆态床反应系统，配合本发明的内部换热单元和外部换热单元，不仅能够提高浆态床反应器内的内部换热单元的换热效率，确保浆态床反应器内部均匀稳定的温度，还能够在发生催化剂局部飞温时，及时有效地移出飞温带来的多余热量，进而确保目的产物的收率，以及提高装置操作的安全性。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
下面结合附图对本发明所提供的系统和方法予以进一步的说明，但本发明并不因此而受到任何限制。为了突出本发明的工艺思想，图中省略了一些工业应用时必要但为本领域技术人员所熟知的设备，如泵、阀门和过滤器等。
以下实施例中：
采用图1所示的浆态床反应系统进行费托合成反应，其中，该系统包括：浆态床反应器1、下部换热单元2、中部换热单元3、上部换热单元4、汽包5、缓冲罐6、加热器7、泵8、压力控制阀9；其中，下部换热单元2、中部换热单元3和上部换热单元4分别设置在浆态床反应器1内的下部、中部和上部，中部换热单元3与上部换热单元4串联，且下部换热单元2与中部换热单元3和上部换热单元4并联，汽包5、缓冲罐6、加热器7和泵8依次串联；加热器7通过管线12和13分别与下部换热单元2和中部换热单元3联通；汽包5通过管线14和管线15分别与下部换热单元2和上部换热单元4连通；其中，压力控制阀9和补水管线设置在汽包5上分别调节汽包5内的压力和为汽包5提供补充水。
其中，管线15与汽包5的连通的管线上并联有阀门16和阀门17，阀门16的支路上设置有泵10。
其中，下部换热单元2包括8根换热管，中间4根换热管设置交错排布的直板挡板；
中部换热单元3包括4根换热管，中间2根换热管设置有交错排布的挡板；
挡板均为直板，其横截面积为换热管横截面积的50％。
下部换热单元2中的换热管的直径为20mm；中部换热单元3中的换热管的直径为60mm；上部换热单元4中的换热管的直径为60mm。
催化剂是神华集团自主开发的SFT418费托合成铁系催化剂，并在使用前进行还原处理。
合成气中，CO和H2的摩尔比为1：1.5。
实施例1
本实施例用于说明本发明的浆态床反应系统和费托合成反应的方法。
采用图1所示的浆态床反应系统，将费托合成原料气(合成气)由浆态床反应器1下部通入，然后在液蜡的环境中在催化剂表面反应，反应后的产气从浆态床反应器顶部流出至下游进行分离，加热器7使得流经的水的升温速率为20℃/h；待浆态床反应器1内温度达到120℃时，设置加热器7使得流经的水的升温速率为10℃/h；当浆态床反应器1内温度达到200℃时，设置加热器7使得流经的水的升温速率为5℃/h；待浆态床反应器1内温度达到250℃时，认定为达到费托合成反应的指定反应温度，并关闭加热器7；其中，汽包5上设置的压力控制阀9的阈值为4MPa；通过补水管线提供给汽包5的水以及通过另一补水管线经阀门11提供给缓冲罐6的水的温度为常温(约25℃)；
达到指定的费托合成反应温度后，反应进行前300h内，反应温度保持平稳，原料气CO的转化率为98％。反应300-500h期间，多次发生飞温现象，每次飞温时浆态床反应器内过滤区域内温度上升到285℃，此时开启泵10，强制加快换热管内介质的流速，10-20min后，浆态床反应器过滤区域内温度回归到250℃，最终测定，原料气CO的转化率仍为98％，说明催化剂活性没有损失；
运行过程中：
汽包5内的水通过补充水将整个换热系统(包括内部换热单元和外部换热单元)内水充满。汽包5内的水流经缓冲罐后通过泵8后进入加热器7中，加热器7中的水分别经过管线12和13进入浆态床反应器1，其中一路经由管线12进入下部换热单元2后通过管线14与管线15汇合后，再通过泵回到汽包5中。另一路经由管线13进入内部换热单元3，然后再进入内部换热单元4，然后再通过管线15与管线14汇合后通过泵回到汽包5内；
当费托合成反应刚开始时，汽包5内的水经由缓冲罐6通过泵8提供动力后，通过加热器7加热后进入浆态床反应器1内的下部换热单元2，中部换热单元3及上部换热单元4，然后加热浆态床反应器内的浆液。随着反应器1的温度上升，费托合成反应逐渐放出大量反应热，内部换热单元逐渐从加热反应器内浆液转变为将浆态床反应器内的热量移出，加热器7就会关闭；
汽包5内水温控制由压力控制阀9来控制(设定温度下水的饱和蒸汽压)。当换热单元内的水吸收热量后温度没有上升到设定温度时，压力控制阀9不会打开。当内部换热单元内的水吸收热量后温度超过设定温度时，汽包内的压力超过压力控制阀9控制的压力，阀门打开，蒸汽排入到公用管网。当汽包5内压力回落到压力控制阀9控制的压力后，压力控制阀9重新关闭。汽包5内损失的水蒸气由补充水来提供；
当浆态床反应器1内部发生催化剂局部过热飞温时，中部换热单元内液态水因吸收热量较多而带来管内热气相过多，气阻过大，水流速度较慢。这时将备用泵10打开，强制加快内部换热单元内的水流速度，将反应器内过多热量带走。当飞温消除后，反应器内温度趋于稳定，这时可视情况将备用泵10停下；
如果飞温不能消除，打开缓冲罐6的阀门11，向缓冲罐6内注入常温水，强制降温，将浆态床反应器内过多热量带走。当飞温消除后，浆态床反应器内温度趋于稳定，这时可视情况将缓冲罐的阀门11关闭。
对比例1
采用图1所示的浆态床反应系统，不同的是，不配置泵10、阀门17和缓冲罐6，且内部换热单元的换热管均不设置挡板。
待浆态床反应器内温度达到250℃时，认定为达到费托合成反应的指定反应温度，并关闭加热器；
达到指定的费托合成反应温度后，反应前200h内，反应平稳，经测定原料气CO的转化率为98％，200-500h期间，多次发生飞温现象，每次飞温时反应器内过滤区域内温度上升到285℃，此时采取了降低汽包温度，降低原料气温度的措施，经过8-10h以后，浆态床过滤区域内温度回归到250℃，经测定，原料气CO的转化率降到90％，说明催化剂活性有所损失。
由对比例1和实施例1的结果可知，虽然现有技术可以解决飞温现象，但耗时长(8-10h)，且降低了催化剂的活性，本发明不仅可以快速解决飞温问题(不足1h)，而且能够保证催化剂的活性。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种费托合成浆态床反应系统，包括：
浆态床反应器（1）、内部换热单元和外部换热单元，所述内部换热单元设置在所述浆态床反应器（1）的内部，所述外部换热单元设置在所述浆态床反应器（1）的外部，所述外部换热单元包括依次串联的具有压力控制阀（9）的汽包（5）、具有冷却水入口的缓冲罐（6）和加热器（7），且所述加热器（7）与所述内部换热单元的下部进水口连通，所述汽包（5）与所述内部换热单元的上部出水口连通；所述缓冲罐（6）的冷却水入口与外部补充水源相连通，使得来自所述外部补充水源的冷却水能够通过该冷却水入口进入到缓冲罐（6）中，并最终进入所述内部换热单元中；
在所述汽包（5）与所述内部换热单元的上部出水口连通的管线上设置有并联连接的阀门（I）和阀门（17），且在阀门（I）或阀门（17）的支路上设置有泵（10）；
所述内部换热单元包括设置在所述浆态床反应器（1）内部的下部换热单元（2）、中部换热单元（3）和上部换热单元（4）；
所述中部换热单元（3）与所述上部换热单元（4）串联，且所述下部换热单元（2）与所述中部换热单元（3）和所述上部换热单元（4）并联，以及所述加热器（7）分别与所述下部换热单元（2）的进水口和所述中部换热单元（3）的进水口连通，所述下部换热单元（2）的出水口和所述上部换热单元（4）的出水口分别与所述汽包（5）连通；
所述下部换热单元（2）、中部换热单元（3）和上部换热单元（4）各自独立地包括两根以上并联的换热管，且所述下部换热单元（2）和所述中部换热单元（3）的20-50%的换热管内设置挡板；
所述下部换热单元（2）中的换热管的根数大于中部换热单元（3）和上部换热单元（4）中的换热管的根数；
所述下部换热单元（2）中的换热管的直径比所述中部换热单元（3）和上部换热单元（4）中的换热管的直径各自小2-50mm；
所述下部换热单元（2）中的换热管的直径为10-200mm；所述中部换热单元（3）和上部换热单元（4）中的换热管的直径各自独立地为20-200mm；所述换热管具有至少两个交错排布的挡板，各个所述挡板的横截面积不超过相应换热管内横截面积的80%。
2.根据权利要求1所述的浆态床反应系统，其中，所述中部换热单元（3）和上部换热单元（4）中的换热管直径与下部换热单元（2）的换热管直径比各自独立地为（2-10）：1。
3.根据权利要求1所述的浆态床反应系统，其中，各个所述挡板的横截面积不超过相应换热管内横截面积的70%。
4.根据权利要求1所述的浆态床反应系统，其中，所述汽包（5）通过管线与补充水源连通，使得来自补充水源的补充水由管线进入到所述汽包（5）中。
5.采用根据权利要求1-4中任意一项所述的费托合成浆态床反应系统进行费托合成反应的方法，包括：
来自汽包（5）的水依次流经缓冲罐（6）、加热器（7）进入内部换热单元中与浆态床反应器（1）内的物料进行换热，换热后的水循环回汽包（5）内进行气液分离，分出的水返回所述缓冲罐（6）中，任选分出的蒸汽经由压力控制阀（9）排出；
其中，在所述费托合成反应的初始阶段，所述加热器（7）对来自缓冲罐（6）内的水进行加热，并利用加热后的热水对所述浆态床反应器（1）内的物料进行加热，直至所述浆态床反应器（1）内的物料达到反应温度；
在所述浆态床反应器（1）内的物料达到反应温度之后，所述加热器（7）停止加热，使来自缓冲罐（6）内的水直接流过所述加热器（7）进入所述内部换热单元中，用于移出所述浆态床反应器（1）内的物料反应热，
其中，至少一部分冷却水通过管线进入所述汽包（5）中，并依次经由所述缓冲罐（6）和所述加热器（7）进入所述浆态床反应器（1）的内部换热单元中，以及
任选至少另一部分冷却水通过所述缓冲罐（6）的冷却水入口进入到所述缓冲罐（6）中，并且经由所述加热器（7）进入所述浆态床反应器（1）的内部换热单元中。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述压力控制阀（9）设置的压力阈值在1.55-5.5MPa范围内。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述压力控制阀（9）设置的压力阈值在2-5MPa范围内。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述费托合成反应初期，反应温度低于120℃时，所述加热器设定为使得流经的水以10-25℃/h的速率升温；而当所述浆态床反应器内的温度升至120℃以上时，所述加热器设定为使得流经的水以5-20℃/h的速率升温；当所述浆态床反应器内的温度升至200℃以上直至最终设定的反应温度时，所述加热器设定为使得流经的水以1-10℃/h的速率升温。
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